JP3147528B2 - 半導体スイッチ - Google Patents

半導体スイッチ

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JP3147528B2
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    • H03K17/725—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking characterised by the components used by the use, as active elements, of semiconductor devices having more than two PN junctions; having more than three electrodes; having more than one electrode connected to the same conductivity region for ac voltages or currents
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    • H03K17/10—Modifications for increasing the maximum permissible switched voltage
    • H03K17/105—Modifications for increasing the maximum permissible switched voltage in thyristor switches

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は，交流電流のような双方
向に流れる電流を制御するスイッチに係り、特にゲート
ターンオフサイリスタ等の半導体素子を直列接続して高
耐圧で使用するのに好適な半導体スイッチに関する。
【０００２】
【従来の技術】電力系統において、例えば遮断器として
半導体スイッチを用いる場合、送電線の公称電圧が３.
３ｋＶ 〜５００ｋＶであることや、電流遮断後に系統
電圧の数倍の電圧が遮断部にかかることから、半導体ス
イッチはこれらの電圧に耐えなくてはならない。しか
し、これらの電圧に対して単体の半導体素子の耐圧では
十分ではないので、半導体素子を何個か直列にして耐圧
を高めて使用する必要がある。また、電力系統では交流
電流を通電・遮断する必要がある。
【０００３】半導体スイッチとしてゲートターンオフサ
イリスタを使用する場合、ゲートターンオフサイリスタ
は、順方向耐圧に比べて逆方向耐圧が極端に低い場合が
多いので、逆方向耐圧保護用にダイオードを直列に接続
する必要がある。このゲートターンオフサイリスタを用
いて交流電流を制御する方法として、順方向電流用のア
ームと逆方向電流用のアームとしてゲートターンオフサ
イリスタを逆並列接続にした回路構成の半導体スイッチ
や、ダイオードをブリッジ構成にして、そのブリッジの
中心にゲートターンオフサイリスタを接続した回路構成
の半導体スイッチがある。そして、これらの半導体スイ
ッチのオフ時の耐圧を稼ぐために、これら半導体スイッ
チの基本回路構成を直列接続にして使用している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】ゲートターンオフサイ
リスタを直列接続して順方向耐圧を稼いで高耐圧の半導
体スイッチを構成するとき、図２のような、逆方向耐圧
保護用のダイオード３００を直列接続したゲートターン
オフサイリスタ２００を逆並列接続にした回路構成の半
導体スイッチの場合、順方向電流制御用と逆方向電流制
御用の２つのアームが必要となり、使用するゲートター
ンオフサイリスタの数が、半導体スイッチのオフ時耐圧
と各ゲートターンオフサイリスタの分担電圧によって決
まる直列数の２倍になる。例えば、図２に示したのは、
ゲートターンオフサイリスタを２直列にして、ゲートタ
ーンオフサイリスタ１個あたりの耐圧の２倍の耐圧を持
つ半導体スイッチとした例であるが、必要なゲートター
ンオフサイリスタは４個、逆方向耐圧保護用ダイオード
は４個になる。このときには、各方向に流れる電流は、
それぞれ４個の半導体素子を流れることになり、その分
の通電損失が発生する。ゲートターンオフサイリスタ
は、同程度の容量のダイオードと比較して数倍は高価で
あるため、ゲートターンオフサイリスタの使用個数が半
導体スイッチのオフ時耐圧で決まる数の２倍になるの
は、ゲートターンオフサイリスタのドライブ回路の数も
多くなるために半導体スイッチの構造が大きくなるのは
もちろん、経済的にも不利である。一方、図３のよう
に、逆方向耐圧保護用のダイオード300をブリッジ構成
にして、そのブリッジの中心にゲートターンオフサイリ
スタ200を接続した回路構成の半導体スイッチでは、ゲ
ートターンオフサイリスタの個数は半導体スイッチのオ
フ時耐圧と各ゲートターンオフサイリスタの分担電圧と
で決まる直列数と同じ数で良いが、使用するダイオード
の数が多くなり、電流が流れる半導体素子の数が逆並列
接続の構成の場合に比べて１．５倍に増えるので、常時
通電時の半導体素子における損失が増えてしまう。例え
ば、図３に示したように、ダイオードブリッジによって
構成した半導体スイッチを２直列にして、ゲートターン
オフサイリスタ１個あたりの２倍の耐圧の半導体スイッ
チにしたとき、必要なゲートターンオフサイリスタが２
個、ダイオードが８個となり、各方向の電流がそれぞれ
６個の半導体素子を流れることになり、その分の通電損
失が発生する。
【０００５】本発明の目的は、使用するゲートターンオ
フサイリスタの数を低減でき、かつ通電損失が著しく増
えないような半導体スイッチを提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明の半導体スイッチは、スイッチ端子間に複数
個のゲートターンオフサイリスタを等価的に直列接続し
た半導体スイッチであって、隣合うゲートターンオフサ
イリスタは、相互にゲートターンオフサイリスタのアノ
ードがダイオードを介して他方のゲートターンオフサイ
リスタのカソードに接続されており、隣合うゲートター
ンオフサイリスタ間に配置された各ダイオードの接続
は、ダイオードのアノードがゲートターンオフサイリス
タのカソードに、かつダイオードのカソードがゲートタ
ーンオフサイリスタのアノードにそれぞれ接続するよう
になされており、スイッチ端子と隣合うゲートターンオ
フサイリスタは、そのアノード及びカソードが少なくと
もカソード側がダイオードを介してスイッチ端子に接続
されており、スイッチ端子と隣合うゲートターンオフサ
イリスタのカソードとスイッチ端子との間に配置された
各ダイオードの接続は、ダイオードのアノードがゲート
ターンオフサイリスタのカソードに、かつダイオードの
カソードがスイッチ端子にそれそれ接続するようになさ
れていることを特徴とするものである。
【０００７】
【作用】上述の本発明の半導体スイッチでは、電流が
（場合に応じてダイオードのアノードからカソード，）
ゲートターンオフサイリスタのアノードからカソード，
ダイオードのアノードからカソード，他のゲートターン
オフサイリスタのアノードからカソード，ダイオードの
アノードからカソードという順に流れる回路構成となり
（逆方向の電流も同じように流れる。）、スイッチ端子
間に複数個のゲートターンオフサイリスタを等価的に直
列接続した半導体スイッチが得られる。
【０００８】この本発明によれば、半導体スイッチを構
成するゲートターンオフサイリスタの数を、例えば２つ
にするだけで、２倍のオフ時耐圧を持つ半導体スイッチ
を構成することができる。同じオフ時耐圧を持つ半導体
スイッチを、従来の逆方向耐圧保護用のダイオードを直
列接続したゲートターンオフサイリスタを逆並列接続に
した回路構成の半導体スイッチで構成すると、ゲートタ
ーンオフサイリスタが４個必要である。それに対し、本
発明では、ゲートターンオフサイリスタが２個と従来の
１／２で良く、ゲートターンオフサイリスタに必要なド
ライブ回路の数も１／２とすることができ、半導体スイ
ッチの構成を小型で安価にすることができる。一方、逆
方向耐圧保護用のダイオードをブリッジ構成にして、そ
のブリッジの中心にゲートターンオフサイリスタを接続
した回路構成によって半導体スイッチを構成したとき、
ダイオードが８個必要になり、半導体素子で発生する通
電損失が半導体素子６個分になる。それに対し、本発明
では、ダイオードは６個で良く、半導体素子で発生する
通電損失が半導体素子５個分と、少なく抑えられる。
【０００９】
【実施例】以下に本発明の一実施例を説明する。
【００１０】図１に、本発明の一実施例である交流用半
導体スイッチ１００の基本回路構成を示す。この実施例
は、ゲートターンオフサイリスタを２個使用した場合で
ある。ゲートターンオフサイリスタとダイオードを、図
１に示したような極性で接続する。つまり、第１のゲー
トターンオフサイリスタ２００のアノードに、第１，第
２のダイオード３００，３０１のカソードを接続し、第
１のゲートターンオフサイリスタ２００のカソードに、
第３，第４のダイオード３０３，３０４のアノードを接
続する。第２のゲートターンオフサイリスタ２０１のカ
ソードには、第２のダイオード３０１のアノードと第５
のダイオード３０２のアノードを接続し、第２のゲート
ターンオフサイリスタ２０１のアノードに第４のダイオ
ード３０４のカソードと第６のダイオード３０５のカソ
ードを接続する。第１のダイオード３００のアノードと
第３のダイオード３０３のカソードを接続して、スイッ
チの一方の端子とし、第５のダイオード３０２のカソー
ドと第６のダイオード３０５のアノードを接続し、スイ
ッチのもう一方の端子とする。各ゲートターンオフサイ
リスタやダイオードといった各半導体素子には、図示さ
れていないが、スナバ回路等の必要な保護回路が接続さ
れている。
【００１１】動作として、電源４と負荷５の間に、スイ
ッチとして半導体スイッチ１００が接続されている場合
を考える。今、ゲートターンオフサイリスタ２００，２
０１をオンして、半導体スイッチ１００がオンしている
ときを考える。交流電流Ｉは、ダイオード３００，ゲー
トターンオフサイリスタ２００，ダイオード３０４，ゲ
ートターンオフサイリスタ２０１，ダイオード３０２と
いう回路と、ダイオード３０５，ゲートターンオフサイ
リスタサイリスタ２０１，ダイオード３０１，ゲートタ
ーンオフサイリスタ２００，ダイオード３０３という回
路を流れる。ゲートターンオフサイリスタ２００，２０
１がオフすると、直列接続状態になっているダイオード
３００，３０１，３０２あるいはダイオード３０３，３
０４，３０５には、極性が逆になっているものが含まれ
ているので、電流は遮断される。半導体スイッチ１００
の両端にかかる電圧が、ダイオード３００のアノード
と、３０３のカソードが接続している端子側の電位が高
いとき、ゲートターンオフサイリスタ２００に対してダ
イオード３０３が、ゲートターンオフサイリスタ２０１
に対してダイオード３０１が逆方向耐圧保護用ダイオー
ドとして機能する。また、ダイオード３０２のカソード
と、３０５のアノードが接続している端子側の電位が高
いとき、ゲートターンオフサイリスタ２０１に対してダ
イオード３０２が、ゲートターンオフサイリスタ２００
に対してダイオード３０４が逆方向耐圧保護用ダイオー
ドとして機能する。
【００１２】図１において、ゲートターンオフサイリス
タ２００，２０１のオフ時の分担電圧をそれぞれｅ
［Ｖ］とする。図１では、ゲートターンオフサイリスタ
２００，２０１を直列接続しているのと等価なので、半
導体スイッチ全体としての耐圧を２ｅ［Ｖ］とすること
ができる。このとき、ダイオード３００，３０２，３０
３，３０５の分担電圧はｅ［Ｖ］となり、ダイオード３
０１，３０４の分担電圧は２ｅ[Ｖ]となる。よって、ダ
イオード３００，３０２，３０３，３０５には逆方向耐
圧ｅ[Ｖ]以上のものを、ダイオード３０１，３０４には
逆方向耐圧２ｅ[Ｖ]以上のものを使用すれば良い。こう
することで、この半導体スイッチのオフ時の耐圧がゲー
トターンオフサイリスタの分担電圧と使用個数で決まる
耐圧と等しくすることができる。
【００１３】図２及び図３に、図１と同等のオフ時耐圧
を持つ従来の構成による半導体スイッチの回路例を示
す。図２は従来例１として逆方向耐圧保護用のダイオー
ド300を直列接続したゲートターンオフサイリスタ２０
０を直列接続したものを逆並列接続にした回路構成の半
導体スイッチ１０１である。この半導体スイッチ１０１
と本発明である半導体スイッチ１００を比較すると、使
用しているゲートターンオフサイリスタの数が１／２に
なっていることがわかる。図３は従来例２として、逆方
向耐圧保護用のダイオード３００をブリッジ構成にし
て、そのブリッジの中心にゲートターンオフサイリスタ
２００を接続した回路構成の半導体スイッチ１０２であ
る。これと本発明である半導体スイッチ１００と比較す
ると、使用しているダイオードの数が２個少なく、常時
通電時に電流が流れる半導体素子の数が減り、通電損失
を少なくできる。
【００１４】なお、図１において、ダイオード３００及
び３０５は、逆方向耐圧保護用ダイオードとして機能し
ていないので、これらのダイオードを省略することがで
きる。但し、端子間の耐圧を変えないようにするため
に、ダイオード３００を省略するときには、ゲートター
ンオフサイリスタ２００のカソードとゲートターンオフ
サイリスタ２０１のアノードとの間か、ゲートターンオ
フサイリスタ２０１のカソードと端子の間にダイオード
３００と同じ耐圧のダイオードを直列に挿入した方がよ
い（図示省略）。また、同じく、ダイオード３０５を省
略するときには、ゲートターンオフサイリスタ２０１の
カソードとゲートターンオフサイリスタ２００のアノー
ドとの間か、ゲートターンオフサイリスタ２００のカソ
ードと端子の間にダイオード３０５と同じ耐圧のダイオ
ードを直列に挿入するようにする（図示省略）。
【００１５】図４は、本発明の一実施例で、ゲートター
ンオフサイリスタを３直列接続にしたのと等価な構成と
した半導体スイッチ１１０の場合を示したものである。
ゲートターンオフサイリスタ２１０，２１１，２１２の
各々のオフ時の分担電圧をｅ［Ｖ］としたとき、ダイオ
ード３１０，３１３，３１４，３１７を逆方向耐圧ｅ
［Ｖ］以上のものにし、ダイオード３１１，３１２，３
１５，３１６を逆方向耐圧２ｅ［Ｖ］以上のものにする
ことで、この半導体スイッチのオフ時の耐圧を３ｅ
［Ｖ］にすることができる。ゲートターンオフサイリス
タ２１０，２１１，２１２をオンして半導体スイッチ１
１０をオン状態にしたときには、交流電流Ｉは、ダイオ
ード３１０、ゲートターンオフサイリスタ２１０，ダイ
オード３１５，ゲートターンオフサイリスタ２１１，ダ
イオード３１２，ゲートターンオフサイリスタ２１２，
ダイオード３１７という回路と、ダイオード３１３，ゲ
ートターンオフサイリスタ２１２，ダイオード３１６，
ゲートターンオフサイリスタ２１１，ダイオード３１
１，ゲートターンオフサイリスタ２１０，ダイオード３
１４という回路を流れる。
【００１６】同様にして半導体スイッチのオフ時耐圧を
高めるためにゲートターンオフサイリスタの数を増やし
ていくと、図５のような回路構成の半導体スイッチ１２
０となる。オフ時の分担電圧をｅ［Ｖ］であるゲートタ
ーンオフサイリスタ２２０をｎ個使用して構成したとす
ると、逆方向耐圧がｅ［Ｖ］以上のダイオード３２０を
４個、逆方向耐圧が２ｅ［Ｖ］以上のダイオード３２１
を２ｎ−２個使用して半導体スイッチを構成すれば、オ
フ時耐圧ｎｅ［Ｖ］の半導体スイッチを構成することが
できる。
【００１７】上述の構成の半導体スイッチを使用すると
きは、各ゲートターンオフサイリスタがターンオン，タ
ーンオフするときに過渡的に電圧分担に不平衡が生じて
各ゲートターンオフサイリスタに過電圧がかからないよ
うにするために、図５に示すように、制御回路６００に
よってそれぞれのゲートターンオフサイリスタのオン・
オフが同期するようにドライブ回路６０１を制御して、
単一のスイッチとして動作させる。
【００１８】図６は、オフ時耐圧ｎｅ[Ｖ]の半導体スイ
ッチを、１個当りの分担電圧ｅ[Ｖ]のゲートターンオフ
サイリスタを使用して構成した場合の、半導体素子の使
用個数と通電損失を、本発明によるものと従来例で比較
したものである。本発明である半導体スイッチの構成で
は、必要となるゲートターンオフサイリスタの数はｎ
個，ダイオードの数は２ｎ＋２個である。また、通電損
失は、半導体素子１個当りで発生する損失を１とすれば
２ｎ＋１となる。これに対して、従来例１として順方向
電流用のアームと逆方向電流用のアームを逆並列接続に
して構成した半導体スイッチの場合は、ゲートターンオ
フサイリスタの数は２ｎ個，ダイオードの数は２ｎ個に
なり、通電損失は２ｎになる。これに較べて、本発明で
は、比較的に高価なゲートターンオフサイリスタの数が
１／２になっている上に、ダイオードの数と通電損失は
同等のままである。一方、従来例２としてダイオードブ
リッジにゲートターンオフサイリスタを組み合わせた構
成の半導体スイッチでは、ゲートターンオフサイリスタ
の数はｎ個，ダイオードの数は４ｎ個となり、通電損失
は３ｎとなる。これに対し、本発明では、ゲートターン
オフサイリスタの数は同じで、ダイオードの数が約１／
２となり、通電損失も２／３程度で済むことになる。
【００１９】上述の実施例に示した回路構成によって、
本発明の半導体スイッチは、使用するゲートターンオフ
サイリスタの数を半導体スイッチのオフ時耐圧と各ゲー
トターンオフサイリスタの分担電圧とで決まる直列数よ
り増やすことなく、また、ゲートターンオフサイリスタ
の逆方向耐圧保護用ダイオードの数も、ゲートターンオ
フサイリスタ１個あたり２個程度として、著しく増やす
ことなく、かつ通電損失が著しく増えないような半導体
スイッチの構成とするが可能になる。従来方式より使用
するゲートターンオフサイリスタの数が１／２に減るこ
とによって、ゲートターンオフサイリスタに必要なドラ
イブ回路の数も１／２となり、半導体スイッチの構造を
小型で簡単にすることができ、価格も安くできる。その
上、高耐圧の半導体スイッチを構成するためにゲートタ
ーンオフサイリスタの数が多くなるほど制御し易くな
り、半導体スイッチの制御性が上がる。使用するダイオ
ードの数が減ることで、半導体スイッチの構造が小型で
簡単になり、価格を安くできると同時に、半導体素子に
おける通電損失を低減することができる。通電損失の低
減によって、半導体素子の冷却装置の小型化が可能にな
り、さらに半導体スイッチの構造を小型で簡単にするこ
とができる。
【００２０】図７には、図１に示した本発明の実施例の
半導体スイッチにおける各ブランチで使用しているゲー
トターンオフサイリスタやダイオードを、いくつか直列
接続にして半導体スイッチを構成した例を示す。この実
施例では、ゲートターンオフサイリスタ２２０やダイオ
ード３２０，３２１を、それぞれ直列接続のサイリスタ
群やダイオード群として半導体スイッチ１３０を構成し
ている。この実施例によれば、半導体スイッチの高耐圧
化が可能になる。
【００２１】図８には、図１に示した本発明の実施例の
半導体スイッチにおける各ブランチで使用しているゲー
トターンオフサイリスタやダイオードを、いくつか並列
接続にして半導体スイッチを構成した例を示す。この実
施例では、ゲートターンオフサイリスタ２２０やダイオ
ード３２０，３２１を、それぞれ並列接続のサイリスタ
群やダイオード群として半導体スイッチ１３１を構成し
ている。この実施例によれば、半導体スイッチの電流容
量を増すことが可能になる。この実施例において、並列
接続する部分は一部であっても良く、例えば、ゲートタ
ーンオフサイリスタ２２０のみを並列接続するようにし
てもよい。
【００２２】さらに、本発明の半導体スイッチにおける
各ブランチで使用しているゲートターンオフサイリスタ
やダイオードを、いくつか直並列接続にして半導体スイ
ッチを構成することができる。これによって、半導体ス
イッチの高耐圧化と大電流容量化が可能になる。
【００２３】図９は、本発明の基本構成である図１の半
導体スイッチ１００を複数、直列接続にして、全体とし
て高耐圧の半導体スイッチを構成した例である。使用す
る半導体素子数が非常多くなったときや、回路の配置の
都合などによって、図５の半導体スイッチ１２０のよう
に、単一の構成で半導体スイッチを構成することが困難
な場合には、この方法によって半導体スイッチの高耐圧
化ができる。ただし、直列接続したときに、各半導体ス
イッチの電圧分圧がそれぞれのオフ時耐圧を超えないよ
うにする。この条件を満たしていれば、各半導体スイッ
チ１００におけるゲートターンオフサイリスタやダイオ
ード等の半導体素子の使用個数が異なっていても良く、
オフ時耐圧の異なる半導体スイッチが２種類以上あって
も構わない。このことによって、半導体スイッチの構成
の自由度を増すことができる。半導体スイッチ１００の
代わりとして、半導体スイッチ１１０，１２０を用いて
も同等の機能が得られる。
【００２４】図１０は、本発明の基本構成である図１の
半導体スイッチ１００を複数、並列接続にして、全体と
して半導体スイッチの電流容量を増した例である。半導
体スイッチ単体では、電流容量が半導体スイッチを構成
しているゲートターンオフサイリスタあるいはダイオー
ドの電流容量で制限されるので、本発明の半導体スイッ
チを並列接続にすることで電流容量を増すことができ
る。このとき、各半導体スイッチに分流する電流は、各
半導体スイッチの電流容量を超えないように分流するよ
うにする。この条件を満たしていれば、各半導体スイッ
チ１００の分流比が異なっていても良く、電流容量の異
なる半導体スイッチが２種類以上あっても構わない。こ
のことによって、半導体スイッチの構成の自由度を増す
ことができる。半導体スイッチ１００の代わりとして、
半導体スイッチ１１０，１２０を用いても同等の機能が
得られる。
【００２５】また、図９に示した半導体スイッチを直列
接続にして構成した半導体スイッチを並列接続にして電
流容量を増したり、あるいは、図１０で示した半導体ス
イッチを並列接続にして構成した半導体スイッチを直列
接続にして高耐圧化することができる。このようにする
ことで、半導体スイッチを高耐圧，大電流容量のものに
することができる。
【００２６】さらに、図１１のように、本発明の基本構
成である図１の半導体スイッチ100を複数、直並列接続
にすることができる。これによって、高耐圧，大電流容
量の半導体スイッチを構成することができる。このと
き、各半導体スイッチ１００では、それぞれの半導体ス
イッチのオフ時耐圧、電流容量を超えない範囲で、電
圧，電流が分圧，分流されるようにする。このようにし
て、高耐圧，大電流容量の半導体スイッチを構成するこ
とができる。半導体スイッチ１００の代わりとして、半
導体スイッチ１１０，１２０を用いても同等の機能が得
られる。
【００２７】スイッチの機能の一つとして、回路中にイ
ンピーダンスを投入，開放することがある。その方法と
しては、図１２のように、半導体スイッチ１２０に対し
て直列にインピーダンス５００，あるいは並列にインピ
ーダンス５０１を接続する方法がある。このとき、１個
の半導体スイッチのオン・オフに対して、インピーダン
スを投入するか開放するかに限られる。
【００２８】しかし、インピーダンスの入り切りを細か
く、高速に制御することによって、例えば系統の事故電
流等、回路中を流れる電流を調整したい場合などには、
電流の大きさを半導体スイッチのオン・オフによって調
整することができ、電流制御ができる。あるいは、変圧
器やコンデンサの投入時に発生する突入電流のような大
電流を抑制するために、大電流が流れているときだけイ
ンピーダンスを高めて限流することで、電流を抑制でき
るといった効果的な電流制御ができる。
【００２９】また、図１３のように、半導体スイッチを
構成する各半導体素子に並列に任意のインピーダンス５
１０〜５１７を接続することができる。例えば、ゲート
ターンオフサイリスタの両端に接続されているインピー
ダンス５１０，５１１だけが接続されているときは、各
インピーダンスと並列に接続されているゲートターンオ
フサイリスタのオン・オフによって、インピーダンスを
バイパスあるいは回路中に挿入したことになる。このよ
うにして、インピーダンスを可変に制御することができ
る。
【００３０】また、図１４に示したように、任意のイン
ピーダンス５２０，５２１，５２２，５２３，５２４，
５２５を、ゲートターンオフサイリスタのアノードと、
そのゲートターンオフサイリスタのカソードに接続され
たダイオードのカソード（例えば、ゲートターンオフサ
イリスタ２００のアノードと、ダイオード３０３または
３０４のカソード）との間や、ゲートターンオフサイリ
スタのカソードと、そのゲートターンオフサイリスタの
アノードに接続されたダイオードのアノード（例えば、
ゲートターンオフサイリスタ２００のカソードと、ダイ
オード３００または３０１のアノード）との間に接続す
ることができる。この図は、ゲートターンオフサイリス
タを２個使用した場合であるが、例えば、インピーダン
ス520，５２３，５２４を接続しているときには、ゲー
トターンオフサイリスタ２００，２０１のオン・オフに
従って電流が半導体素子やインピーダンスに流れるの
で、細かなインピーダンス制御が可能であり、それによ
って電流制御ができる。
【００３１】さらに、図１５に示したように、本発明の
基本構成である図１の半導体スイッチにおいて、半導体
素子が接続されているノード７００〜７０５のうちの、
任意の２つのノードを結ぶようにインピーダンスを接続
することができる。例えば、ノード７００と７０４を結
ぶようにインピーダンス５３０を接続することができ
る。インピーダンス５３０は、ゲートターンオフサイリ
スタ２００のオン・オフによって、回路から切り放され
たり、回路中に挿入されたりする。
【００３２】以上のように、本発明の半導体スイッチ中
にインピーダンスを接続することで、自在なインピーダ
ンス制御が可能になる。半導体スイッチ中のゲートター
ンオフサイリスタの数が多く、ゲートターンオフサイリ
スタのオン・オフの組合せが多くなるほど、インピーダ
ンス可変の自由度は高くなる。１個のゲートターンオフ
サイリスタのオン・オフによって１個のインピーダンス
の入り切りができるとすれば、ｎ個のゲートターンオフ
サイリスタではｎ種類のインピーダンスの入り切りがで
きるので、２のｎ乗通りのインピーダンス可変ができ、
細かい制御が可能になる。
【００３３】これらのインピーダンスの接続方法は、上
述の半導体スイッチの様々な構成において適用できる。
本発明の半導体スイッチにおいて、可変インピーダンス
としての機能を持たせるときには、各ゲートターンオフ
サイリスタは、各々に過電圧がかからないようにして、
オン・オフ制御を行なう。ゲートターンオフサイリスタ
のうちでオンさせる素子とオフさせる素子とは、所望の
インピーダンスあるいは電流になるように適切に素子を
選んで決める。これに基づいて、各インピーダンスの種
類と各ゲートターンオフサイリスタのオン・オフの組合
せによって、インピーダンスの可変制御を行なう。
【００３４】図１６に、本発明の基本構成である図１の
半導体スイッチ１００において、ゲートターンオフサイ
リスタとダイオードによる構成に対し、ダイオードの代
わりにサイリスタを用いた半導体スイッチ１４０の基本
回路構成を示す。ダイオード３００〜３０５の代わりに
サイリスタ８００〜８０５を使用する。ゲートターンオ
フサイリスタ２００，２０１と、サイリスタ８００〜８
０５をオンして、この半導体スイッチをオンしたとき、
交流電流Ｉは、サイリスタ８００，ゲートターンオフサ
イリスタ２００，サイリスタ８０４，ゲートターンオフ
サイリスタ201，サイリスタ８０２という回路と、サイ
リスタ８０５，ゲートターンオフサイリスタ２０１，サ
イリスタ８０１，ゲートターンオフサイリスタ２００，
サイリスタ８０３という回路を流れる。この回路構成で
は、半導体スイッチ１００におけるダイオードと同様の
動作として、サイリスタ８００〜８０５がゲートターン
オフサイリスタ２００，２０１の逆耐圧保護用の半導体
素子の役割を果たす。半導体スイッチ１４０をオフする
ためにゲートターンオフサイリスタ２００，２０１をオ
フすると、電流がサイリスタ８００からサイリスタ８０
２へと流れていた場合には、サイリスタ８０１，８０
３，８０５には逆バイアスがかかっているのでオフ状態
であり、サイリスタ８００，８０２，８０４には流れる
電流がなくなるので、これらは自然にオフする。あるい
は、交流電流のような場合には、やがて逆方向の電流が
流れるので、サイリスタ８００，８０２，８０４にも逆
バイアスがかかり、オフ状態になる。つまり、特別なタ
ーンオフ回路をサイリスタ８００〜８０５に用意しなく
サイリスタはオフできる。この半導体スイッチ１４０に
は、図１の半導体スイッチ１００と同様の効果以外に、
次のような効果を有する。ゲートターンオフサイリスタ
２００，２０１の分担電圧をｅ［Ｖ］としたとき、サイ
リスタ８００〜８０５の順方向耐圧と逆方向耐圧がｅ
［Ｖ］以上であれば、図１６のような構成によってゲー
トターンオフサイリスタを２直列にしたのと等価な半導
体スイッチとすることができ、半導体スイッチの耐圧と
して２ｅ［Ｖ］にすることができる。図１に示したゲー
トターンオフサイリスタとダイオードによって構成した
半導体スイッチ１００では、ダイオードの分担電圧がｅ
［Ｖ］以上と２ｅ［Ｖ］以上の２種類になるが、図１６
に示した構成にすると、サイリスタには順方向と逆方向
の両方に等しく耐圧があるので、全てのサイリスタの分
担電圧を均等にすることができる。
【００３５】図１７は、本発明の基本構成である図１の
半導体スイッチ１００において、ゲートターンオフサイ
リスタとダイオードによる構成に対して、ゲートターン
オフサイリスタの代わりにサイリスタ８１０，８１１に
よって構成した半導体スイッチ１６１の基本構成であ
る。この回路構成は、耐圧ｅ［Ｖ］のサイリスタを２直
列して逆並列接続し、交流電流が制御できる半導体スイ
ッチとした場合と等価であり、これと比較して、サイリ
スタの数を１／２にすることができる。したがって、ダ
イオードに較べてサイリスタは高価なことから、本発明
の構成の半導体スイッチの方が価格が安くなる。
【００３６】図１６，図１７に示した、ゲートターンオ
フサイリスタとサイリスタ、またはサイリスタとダイオ
ードで構成した半導体スイッチの構成は、前述のゲート
ターンオフサイリスタとダイオードによって構成した半
導体スイッチの構成全てに適用できる。
【００３７】以上に述べたように、本発明の半導体スイ
ッチは交流電流の通電・遮断ができるスイッチの構成で
あるが、一般的な構成のスイッチであるから、直流回路
で使用することも可能である。よって、半導体スイッチ
を使用する電気機器（インバータ，コンバータ，チョッ
パ等）はもちろん、半導体遮断器や高速スイッチのよう
な交流用スイッチ，インピーダンスの可変制御を始めと
して、電気回路，電気機器におけるスイッチとして使用
できる。本発明を適用する場合、上述のように、その回
路で必要となる耐圧や電流容量に応じて半導体素子の構
成を変えることができ、その回路に応じた半導体スイッ
チを容易に構成することができる。
【００３８】上述の本発明の各実施例によれば、ゲート
ターンオフサイリスタなどの大容量の半導体素子を、例
えば電力系統で使用する場合、従来からの交流電流を制
御できる半導体スイッチと比較して、ゲートターンオフ
サイリスタやダイオード等の使用する半導体素子の数を
減らして同等のスイッチング能力を実現することができ
る。同時に、半導体素子における通電損失は従来と同等
か、場合によっては減ることにもなる。また、使用する
半導体素子の数、特にゲートターンオフサイリスタの数
を、構成する半導体スイッチのオフ時耐圧とゲートター
ンオフサイリスタの分担電圧から決まる素子数まで減ら
すことができる。このことから、同程度の容量のダイオ
ードと比較してゲートターンオフサイリスタは数倍高価
であるので、経済的にも有利になる。それと同時に、ゲ
ートターンオフサイリスタを制御するのに必要なゲート
ドライブ回路の数も、ゲートターンオフサイリスタの数
の低減にともなって低減するので、半導体スイッチの構
造の小型化，簡略化ができる。また、半導体スイッチと
して機能するには、各ゲートターンオフサイリスタに過
電圧がかからないように各々のゲートターンオフサイリ
スタのオン・オフが同期するように制御しなくてはなら
ないので、半導体スイッチを構成するゲートターンオフ
サイリスタの数が少なくなることで制御性が向上する。
さらに、本発明の半導体スイッチ中にインピーダンスを
接続し、各ゲートターンオフサイリスタを独立してオン
・オフ制御することで、高速で、細かな可変インピーダ
ンス制御の機能を持つことができる。本発明では、使用
するゲートターンオフサイリスタの接続数は回路構成上
からは制限がないので、構成する半導体素子のオフ時耐
圧や電流容量から必要となる素子数で使用し、半導体ス
イッチのオフ時耐圧を高めることができる。また、本発
明の半導体スイッチを基本構成として、これらを直列あ
るいは並列接続して容量の大きな半導体スイッチとして
使用することも可能である。
【００３９】
【発明の効果】本発明の半導体スイッチによれば、通電
損失を著しく増やすことなく、使用するゲートターンオ
フサイリスタの数を低減できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例である半導体スイッチの基本
構成を示す図である。
【図２】従来の半導体スイッチの構成例を示す図であ
る。
【図３】従来の半導体スイッチの構成例を示す図であ
る。
【図４】本発明の一実施例である半導体スイッチで、３
個のゲートターンオフサイリスタを直列接続したのと等
価な半導体スイッチの回路構成を示す図である。
【図５】本発明の一実施例である半導体スイッチで、ｎ
個のゲートターンオフサイリスタを直列接続したのと等
価な半導体スイッチの回路構成を示す図である。
【図６】本発明の一実施例である半導体スイッチと従来
の半導体スイッチとの素子数と損失の比較を示す図であ
る。
【図７】本発明の一実施例である半導体スイッチの各ブ
ランチにおいて半導体素子を直列接続にして構成した場
合を示す図である。
【図８】本発明の一実施例である半導体スイッチの各ブ
ランチにおいて半導体素子を並列接続にして構成した場
合を示す図である。
【図９】本発明の一実施例である半導体スイッチを直列
接続にして構成した場合を示す図である。
【図１０】本発明の一実施例である半導体スイッチを並
列接続にして構成した場合を示す図である。
【図１１】本発明の一実施例である半導体スイッチを直
並列接続にして構成した場合を示す図である。
【図１２】本発明の一実施例である半導体スイッチにイ
ンピーダンスを接続する方法を示す図である。
【図１３】本発明の一実施例である半導体スイッチ中に
インピーダンスを接続する方法を示す図である。
【図１４】本発明の一実施例である半導体スイッチ中に
インピーダンスを接続する方法を示す図である。
【図１５】本発明の一実施例である半導体スイッチ中
で、インピーダンスを接続できる個所を示す図である。
【図１６】本発明の一実施例である半導体スイッチをゲ
ートターンオフサイリスタとサイリスタで構成した場合
を示す図である。
【図１７】本発明の一実施例である半導体スイッチをサ
イリスタとダイオードで構成した場合を示す図である。
【符号の説明】
１００，１１０，１２０，１３０，１３１，１４０，１
４１…半導体スイッチ、１０１，１０２…従来例の半導
体スイッチ、２００，２０１，２１０，２１１，２１
２，２２０…ゲートターンオフサイリスタ、３００，３
０１，３０２，３０３，３０４，３０５，３１０，３１
１，３１２，３１３，３１４，３１５，３１６，３１
７，３２０，３２１…ダイオード、４…電源、５…負
荷、５００，５０１，５１０，５１１，５１２，５１
３，５１４，５１５，５１６，５１７，５２０，５２
１，５２２，５２３，５２４，５２５，５３０…インピ
ーダンス、６００…制御回路、６０１…ドライブ回路、
７００，７０１，７０２，７０３，７０４，７０５…半
導体スイッチ中のノード、８００，８０１，８０２，８
０３，８０４，８０５，８１０，８１１…サイリスタ。
フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭61−17037（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−95611（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−90027（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−118723（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−208911（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−324985（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−70209（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H03K 17/00 - 17/70 H03K 17/72 - 17/735

Claims (10)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】スイッチ端子間に複数個のゲートターンオ
    フサイリスタを等価的に直列接続した半導体スイッチで
    あって、隣合う前記ゲートターンオフサイリスタは、相
    互にゲートターンオフサイリスタのアノードがダイオー
    ドを介して他方のゲートターンオフサイリスタのカソー
    ドに接続されており、前記隣合うゲートターンオフサイ
    リスタ間に配置された各ダイオードの接続は、ダイオー
    ドのアノードがゲートターンオフサイリスタのカソード
    に、かつダイオードのカソードがゲートターンオフサイ
    リスタのアノードにそれぞれ接続するようになされてお
    り、前記スイッチ端子と隣合う前記ゲートターンオフサ
    イリスタは、そのアノード及びカソードが少なくともカ
    ソード側がダイオードを介して前記スイッチ端子に接続
    されており、前記スイッチ端子と隣合うゲートターンオ
    フサイリスタのカソードと前記スイッチ端子との間に配
    置された各ダイオードの接続は、ダイオードのアノード
    がゲートターンオフサイリスタのカソードに、かつダイ
    オードのカソードがスイッチ端子にそれぞれ接続するよ
    うになされていることを特徴とする半導体スイッチ。
  2. 【請求項２】請求項１に記載の半導体スイッチにおい
    て、前記スイッチ端子と隣合うゲートターンオフサイリ
    スタの各アノードは、それぞれダイオードを介して前記
    スイッチ端子に接続されており、前記スイッチ端子と隣
    合うゲートターンオフサイリスタのアノードと前記スイ
    ッチ端子との間に配置された各ダイオードの接続は、ダ
    イオードのアノードがスイッチ端子に、かつダイオード
    のカソードがゲートターンオフサイリスタのアノードに
    それそれ接続するようになされていることを特徴とする
    半導体スイッチ。
  3. 【請求項３】スイッチ端子間に複数個の可制御の半導体
    素子を等価的に直列接続した半導体スイッチであって、
    隣合う前記可制御の半導体素子は、相互に可制御の半導
    体素子のアノードが前記可制御の半導体素子の逆方向耐
    圧保護用半導体素子を介して他方の可制御の半導体素子
    のカソードに接続されており、前記隣合う可制御の半導
    体素子間に配置された各逆方向耐圧保護用半導体素子の
    接続は、逆方向耐圧保護用半導体素子のアノードが可制
    御の半導体素子のカソードに、かつ逆方向耐圧保護用半
    導体素子のカソードが可制御の半導体素子のアノードに
    それぞれ接続するようになされており、前記スイッチ端
    子と隣合う前記可制御の半導体素子は、そのアノード及
    びカソードが少なくともカソード側が前記可制御の半導
    体素子の逆方向耐圧保護用半導体素子を介して前記スイ
    ッチ端子に接続されており、前記スイッチ端子と隣合う
    可制御の半導体素子のカソードと前記スイッチ端子との
    間に配置された各逆方向耐圧保護用半導体素子の接続
    は、逆方向耐圧保護用半導体素子のアノードが可制御の
    半導体素子のカソードに、かつ逆方向耐圧保護用半導体
    素子のカソードがスイッチ端子にそれぞれ接続するよう
    になされていることを特徴とする半導体スイッチ。
  4. 【請求項４】請求項３に記載の半導体スイッチにおい
    て、前記スイッチ端子と隣合う可制御の半導体素子の各
    アノードは、それぞれ前記可制御の半導体素子の逆方向
    耐圧保護用半導体素子を介して前記スイッチ端子に接続
    されており、前記スイッチ端子と隣合う可制御の半導体
    素子のアノードと前記スイッチ端子との間に配置された
    各逆方向耐圧保護用半導体素子の接続は、逆方向耐圧保
    護用半導体素子のアノードがスイッチ端子に、かつ逆方
    向耐圧保護用半導体素子のカソードが可制御の半導体素
    子のアノードにそれぞれ接続するようになされているこ
    とを特徴とする半導体スイッチ。
  5. 【請求項５】スイッチ端子間に複数個のゲートターンオ
    フサイリスタを等価的に直列接続した半導体スイッチで
    あって、隣合う前記ゲートターンオフサイリスタは、相
    互にゲートターンオフサイリスタのアノードがサイリス
    タを介して他方のゲートターンオフサイリスタのカソー
    ドに接続されており、前記隣合うゲートターンオフサイ
    リスタ間に配置された各サイリスタの接続は、サイリス
    タのアノードがゲートターンオフサイリスタのカソード
    に、かつサイリスタのカソードがゲートターンオフサイ
    リスタのアノードにそれぞれ接続するようになされてお
    り、前記スイッチ端子と隣合う前記ゲートターンオフサ
    イリスタは、そのアノード及びカソードが少なくともカ
    ソード側がサイリスタを介して前記スイッチ端子に接続
    されており、前記スイッチ端子と隣合うゲートターンオ
    フサイリスタのカソードと前記スイッチ端子との間に配
    置された各サイリスタの接続は、サイリスタのアノード
    がゲートターンオフサイリスタのカソードに、かつサイ
    リスタのカソードがスイッチ端子にそれぞれ接続するよ
    うになされていることを特徴とする半導体スイッチ。
  6. 【請求項６】スイッチ端子間に複数個のサイリスタを等
    価的に直列接続した半導体スイッチであって、隣合う前
    記サイリスタは、相互にサイリスタのアノードがダイオ
    ードを介して他方のサイリスタのカソードに接続されて
    おり、前記隣合うサイリスタ間に配置された各ダイオー
    ドの接続は、ダイオードのアノードがサイリスタのカソ
    ードに、かつダイオードのカソードがサイリスタのアノ
    ードにそれぞれ接続するようになされており、前記スイ
    ッチ端子と隣合う前記サイリスタは、そのアノード及び
    カソードが少なくともカソード側がダイオードを介して
    前記スイッチ端子に接続されており、前記スイッチ端子
    と隣合うサイリスタのカソードと前記スイッチ端子との
    間に配置された各ダイオードの接続は、ダイオードのア
    ノードがサイリスタのカソードに、かつダイオードのカ
    ソードがスイッチ端子にそれぞれ接続するようになされ
    ていることを特徴とする半導体スイッチ。
  7. 【請求項７】梯子形回路の長手方向のそれぞれのブラン
    チに方向を交互に変えて設けられたダイオードと、前記
    長手方向の一方のブランチと他方のブランチとを結ぶブ
    ランチに設けられた複数個のゲートターンオフサイリス
    タとを有し、前記ゲートターンオフサイリスタの各アノ
    ードは、前記ダイオードのカソード同志を結ぶノードに
    接続され、かつ前記ゲートターンオフサイリスタの各カ
    ソードは、前記ダイオードのアノード同志を結ぶノード
    に接続されていることを特徴とする半導体スイッチ。
  8. 【請求項８】遮断器の電流遮断部に半導体スイッチを用
    いた遮断器において、前記半導体スイッチとして、請求
    項１〜７の何れかに記載の半導体スイッチ用いたことを
    特徴とする遮断器。
  9. 【請求項９】開閉装置の開閉部のスイッチに半導体スイ
    ッチを用いた開閉装置において、前記半導体スイッチと
    して、請求項１〜７の何れかに記載の半導体スイッチを
    用いたことを特徴とする開閉装置。
  10. 【請求項１０】半導体スイッチで構成した無接点スイッ
    チにおいて、前記半導体スイッチとして、請求項１〜７
    の何れかに記載の半導体スイッチを用いたことを特徴と
    する無接点スイッチ。
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